Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Fabrication Technologies for Integrated Circuits, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2 Frontier institute of Chip and System, Fudan University, Shanghai 200433, China
3 College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
The performance and reliability of ferroelectric thin films at temperatures around a few Kelvin are critical for their application in cryo-electronics. In this work, TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN capacitors that are free from the wake-up effect are investigated systematically from room temperature (300 K) to cryogenic temperature (30 K). We observe a consistent decrease in permittivity (εr) and a progressive increase in coercive electric field (Ec) as temperatures decrease. Our investigation reveals exceptional stability in the double remnant polarization (2Pr) of our ferroelectric thin films across a wide temperature range. Specifically, at 30 K, a 2Pr of 36 μC/cm2 under an applied electric field of 3.0 MV/cm is achieved. Moreover, we observed a reduced fatigue effect at 30 K in comparison to 300 K. The stable ferroelectric properties and endurance characteristics demonstrate the feasibility of utilizing HfO2 based ferroelectric thin films for cryo-electronics applications.
hafnia-zirconia solid solution ferroelectricity cryogenic temperature wake-up effect Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032301
1 哈尔滨工业大学，先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学(威海)，山东省特种焊接技术重点实验室，山东 威海 264209
3 山东省先进铝基材料与技术重点实验室，山东 滨州 256606
4 哈尔滨工业大学，先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001哈尔滨工业大学(威海)，山东省特种焊接技术重点实验室，山东 威海 264209
实现钛合金与ZrO2陶瓷的生物相容性连接对于扩展其在生物医学领域的应用具有重要意义。采用Sn-Zr钎料成功实现了Ti-13Nb-13Zr合金和ZrO2陶瓷的连接。运用SEM、EDS、XRD分析了TNZ/ZrO2接头的界面组织与反应产物，通过剪切试验测试了接头的力学性能，并研究了Zr含量对钎焊接头的界面组织和性能的影响。研究表明，TNZ/ZrO2接头典型界面微观组织为TNZ/Ti6Sn5/β-Sn+Zr(s,s)+ZrSn2/m-ZrO2/ZrO2，其中m-ZrO2可以促进陶瓷与钎缝的冶金结合。随着Zr含量的增加，钎缝中Zr(s,s)含量逐渐增多，体积逐渐增大，ZrSn2相含量也相应增加，而β-Sn在钎缝中的占比逐渐减小。剪切试验表明，当Zr含量为6% (摩尔分数)时，钎焊接头的剪切强度达到最高，为25.6 MPa。接头的断裂路径分析表明，此时接头的裂纹主要沿着钎缝中β-Sn基体扩展。
钛铌锆合金 氧化锆陶瓷 钎焊 界面组织 力学性能 titanium-hiobium-zirconium alloy zirconia ceramic brazing microstructure mechanical property
通过静态侵蚀和动态侵蚀实验研究高锂玻璃对熔铸锆刚玉砖的侵蚀程度，测试了实际生产中高锂玻璃液对窑炉中的熔铸锆刚玉砖侵蚀后的表面成分，分析了高锂玻璃对熔铸锆刚玉砖侵蚀严重的原因。研究结果表明，原料中的锂元素对熔铸锆刚玉砖的侵蚀严重，这是由于锂离子半径小且化合价低，扩散系数大，更容易与熔铸锆刚玉砖中的酸性氧化物SiO2和两性氧化物A12O3反应，进而造成侵蚀。
高锂玻璃 熔铸锆刚玉砖 侵蚀 high-lithium glass fused cast zirconia corundum brick erosion
由龋病、牙周炎等疾病导致的牙齿缺失在我国十分常见, 临床上主要采用口腔修复进行治疗。氧化锆凭借优异的力学性能、良好的生物相容性和好的美学表现成为齿科修复领域的理想修复材料。传统的计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)减材制造虽然加工精度高, 边缘适合性好, 但是存在材料浪费、刀具磨损和咬合面窝沟处制作精度不足等缺点。增材制造(3D打印)作为快速成型技术的典型代表, 满足构建精准、个性化和复杂结构全瓷冠的基本要求, 有望成为全瓷冠制备的潜在候选技术。本文综述了近年来国内外各研究团队在氧化锆全瓷冠光固化3D打印及应用的进展, 对陶瓷浆料组成、打印过程支撑结构设计、打印参数优化、后处理工艺路线以及打印后产品性能的评价进行综述与分析, 并辅以大量实例进行说明; 最后指出氧化锆全瓷冠光固化3D打印领域未来将面临的挑战, 并给出一定指导意见。
口腔修复 全瓷冠 氧化锆 增材制造(3D打印) 光固化 浆料 力学性能 oral restoration all-ceramic crown zirconia additive manufacturing (3D printing) stereolithography slurry mechanical property
1 东华大学材料科学与工程学院，上海 201620
2 东华大学功能材料研究中心，上海 201620
冷烧结技术自引入以来已有多种陶瓷材料获得了成功制备，但作为重要结构陶瓷的氧化锆其冷烧结致密度仍然偏低。为了提高冷烧结氧化锆陶瓷的致密度，采用亚稳态的纳米晶氧化锆片状粉体进行了研究。首先利用氧化石墨烯为模板，以三(羟甲基)氨基甲烷为沉淀剂制备了含56%四方相的片状氧化锆。然后，从烧结助剂、温度、压力、液相掺量4个因素出发探索了对氧化锆致密度以及微观结构的影响。结果表明：在HCl作为烧结助剂、300 ℃、500 MPa、液相掺量为20% (质量分数)的冷烧结工艺条件下，实现了约70%的致密度，远高于目前冷烧结氧化锆致密度的报道值。致密度的提升主要得益于烧结中亚稳态氧化锆的相变以及助剂对片状粉体的颗粒重排和溶解-沉淀作用。此外，孔隙率的降低使得冷烧结氧化锆陶瓷的杨氏模量和抗弯强度分别达到了24 GPa和20 MPa。
氧化锆陶瓷 冷烧结 致密度 烧结助剂 相变 zirconia ceramics cold sintering relative density sintering additives phase transformation
氧化锆陶瓷以其优异的力学性能和生物相容性被广泛用作牙科修复材料。通过表面改性工艺调控氧化锆陶瓷的表面润湿性，可以进一步拓展其在不同领域的应用。基于此，笔者提出了一种高效、低成本的激光加工+硅油修饰+热处理复合工艺，并采用该工艺制备了超疏水氧化锆陶瓷表面。首先通过纳秒激光加工在氧化锆陶瓷表面诱导出周期性多级微纳结构，而后利用硅油异丙醇混合溶液（硅油体积分数为0.4%）修饰+低温热处理来降低激光处理后氧化锆陶瓷的表面能，制备出了表面接触角高达153.8°具有超疏水特性的氧化锆陶瓷。加工前的氧化锆陶瓷的接触角为80.4°±2.1°，展现出亲水性；经纳秒激光加工后，液滴完全浸润表面，接触角变为0°，表面转变为超亲水表面。采用硅油异丙醇混合溶液修饰+低温热处理工艺实现了表面超亲水特性向超疏水特性的转变。超疏水氧化锆陶瓷在空气环境和胶带剥离实验中分别保持了优秀的稳定性和耐久性。通过改变激光的扫描速度及扫描间距可以精准调控液滴在材料表面的润湿性和黏附性。所提方法相较于传统激光加工方法提高了制备效率，降低了生产成本，有望扩展超疏水氧化锆陶瓷在医疗领域的应用。
激光技术 氧化锆陶瓷 超疏水表面 激光加工 微纳结构 表面化学 黏附性 中国激光
2023, 50(16): 1602210
1 景德镇学院，江西 景德镇 333400
2 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403
3 山西医科大学，口腔医院口腔疾病防治与新材料山西省重点实验室，太原 030000
板状晶生长温度与氧化锆增韧氧化铝(ZTA)烧结温度的温度差是决定Pr0.833Al11.833O19板状晶增韧ZTA效果的关键。本工作通过燃烧法制备出PrAlO3前驱体，经900 ℃预烧形成高活性PrAlO3，引入ZTA中使板状晶生长温度与ZTA烧结温度差达到100 ℃，得到高长径比的板状晶，起到协同增韧的作用。同时，通过Pr离子固溶入ZrO2减缓ZrO2的水热老化过程，减少了因相变所诱发的微裂纹，提高了ZTA的断裂强度。结果表明，与ZTA相比，Pr0.833Al11.833O19板状晶增强增韧的ZTA在模拟的人体环境中(水热老化)的断裂韧性从7.13 MPa·m1/2提高到8.97 MPa·m1/2，断裂强度由654.78 MPa提高至687.59 MPa，Vickers硬度由18.95 GPa提高至19.39 GPa。
氧化锆增韧氧化铝生物陶瓷 铝酸镨 六铝酸镨板状晶体 抗水热老化 zirconia toughened alumina bioceramics praseodymium aluminate praseodymium hexaaluminate plate crystal resistance to hydrothermal aging
1 湖北工业大学材料与化学工程学院,武汉 430068
2 江西德锆美瓷有限公司,九江 332500
3 江西赛瓷材料有限公司,九江 332500
氧化锆陶瓷具有优异的力学性能、化学稳定性和白色美学特性, 已广泛用于与牙齿相关的修复体中, 如牙冠、牙桥、基台以及最近的种植体。然而, 氧化锆陶瓷的生物安全性受到低温老化(LTD)的威胁。LTD现象发生在低温潮湿环境中, 例如在人体环境中, 氧化锆陶瓷的强度在短期内迅速降低, 进而导致早期失效。本文从表征方法、影响因素以及老化理论模型等角度, 对近年来各国学者对氧化锆陶瓷LTD现象开展的相研究进行了综述, 并对相关研究结果进行梳理了及归纳。
氧化锆陶瓷 低温老化 相变 稳定剂 晶粒尺寸 相组成 zirconia ceramics low-temperature degradation phase transformation stabilizer grain size phase composition
内蒙古工业大学 材料科学与工程学院, 内蒙古自治区薄膜与涂层重点实验室, 呼和浩特 010051
长期饮用砷污染的水会严重危害人类的健康, 因此亟待开发一种高效且便于分离的除砷吸附剂。本研究采用水热法构建了一种新型高效的除砷吸附材料——埃洛石纳米管负载锆氧化物材料(ZrO2/HNT)。使用不同手段对制备的复合材料的组成、结构和形貌进行表征, 发现氧化锆纳米颗粒均匀分布在埃洛石纳米管外壁上, 晶型为单斜结构。研究表明, ZrO2/HNT可快速、有效地去除溶液中的As(V), 吸附反应在30 min内达到平衡。在25 ℃, As(V)的最高吸附容量为27.46 mg/g, 吸附容量随溶液pH升高而降低, 共存离子(除PO43-离子外)对As(V)的吸附性能影响不大。ZrO2/HNT对As(V)的吸附动力学数据符合准二级动力学模型。吉布斯自由能计算结果和Dubinin-Radushkevich(D-R)等温模型拟合结果表明, As(V)去除过程是吸热、化学吸附反应。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)研究表明, As(V)的去除机制主要是As(V)与ZrO2/HNT吸附材料中ZrO2表面的羟基发生配体交换, 最终形成稳定的内层配合物。本研究表明合成的ZrO2/HNT吸附剂可用于去除水溶液中的As(V)。
埃洛石纳米管 氧化锆 吸附 砷 halloysite zirconia adsorption arsenate
以锂铝硅酸盐玻璃为研究对象, 研究了不同氧化锆含量以及热处理工艺对微晶玻璃理化性能的影响。结果表明, 当氧化锆摩尔含量从2.0%增加至3.5%时有利于细化晶粒, 使微晶玻璃透过率从70%增加至85%, 对玻璃维氏硬度和热膨胀系数影响不大, 但会降低耐酸性且增强耐碱性; 当氧化锆摩尔含量≥3.0%时, 通过晶化处理可析出硅锂石和氧化锆纳米晶复合相, 使微晶玻璃的维氏硬度从6.38 GPa逐渐增加至7.28 GPa, 同时热膨胀系数受析出晶相影响逐渐增大, 但会降低透过率和化学稳定性。
锂铝硅酸盐 维氏硬度 透明微晶玻璃 氧化锆 理化性能 lithium aluminum silicate vickers hardness transparent glass ceramics zirconia physical and chemical properties
